DE3326729A1 - Verfahren zum betrieb eines elektrochemischen speichers - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München VPA 83 P 3 2 3 O 0£

Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Speichers

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Speichers, insbesondere Zink-Brom- oder Zink-Chlor-Speichers, bei dem die aktive Masse während des Entladevorganges in Lösung geht und während des Ladevorganges wieder auf der Elektrode abgeschieden wird und durch volles Entladen ungleichmäßig verteilte Abscheidungen beseitigt werden und bei dem Gruppen von Zellen in Reihe auf einen Verbraucher geschaltet sind.

Aus der Zeitschrift "Physik in unserer Zeit", 11. JG, 1980, Nr. 5, Seiten 157 bis 159, ist die Anwendung eines Zinkchlorid-Speichers für ein Elektroauto bekannt geworden.

In der Presseinformation der Studiengesellschaft für Energiespeicher und Antriebssysteme GmbH S.E.A "Elektrochemische Energiespeicher und deren Anwendungssysteme" vom 22.09.1982 ist ein Zink-Brom-Speicher beschrieben.

Derartige elektrochemische Speicher zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und hohe Leistungsdichte aus. In der Praxis läßt sich jedoch noch keine ausreichende Ladezyklenzahl erreichen. Der Grund ist in den durch die bipolare Elektrodenanordnung bedingten Leck- oder parasitären Ströme zu sehen, die infolge der zu den einzelnen Zellen parallelen, über eine gemeinsame Hauptleitung erfolgenden Elektrolytzuführung auftreten und zu Energieverlusten und ungleichmäßiger Zinkabscheidung (Dendritenbildung) führen. Dieser Effekt nimmt mit steigender Zahl der

Nr 2 Ts / 20.07.1983

zu einer Gruppe zusammengefaßten Einzelzellen zu und wirkt sich hinsichtlich der Zinkabscheidung am stärksten bei den Elektrolytzuführungen in der Nähe des negativen Endpols des bipolaren Zellblockes aus. Die normale Elektrolytzirkulation wird gestört, die Zinkabscheidung in den einzelnen Zellen wird uneinheitlich, so daß schließlich deren voneinander abweichendes Verhalten eine Funktionsuntüchtigkeit der Batterie verursacht. Durch Kristallbildung können außerdem die Platten und der Separator beschädigt werden.

Zur Eliminierung der parasitären Ströme ist es bekannt, der Batteriespannung an den Elektrolytleitungen eine etwa gleichgroße Gegenspannung entgegenzusetzen, welche den Fluß der parasitären Ströme kompensiert. Bei trotzdem sich entwickelnder ungleichmäßiger Zinkverteilung ist eine vollständige Entladung des Speichers erforderlich. Dies bedingt eine Herabsetzung der Verfügbarkeit und einen zeit- und personalaufwendigen Wartungsvorgang und die Vorratsgahaltung eines gleichgroßen Ersatzspeichers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei wesentlicher Verminderung der Wartungsarbeiten die Verfügbarkeit des Speichers zu erhöhen und nachteilige Folgen einer ungleichmäßigen Abscheidung an den Elektroden mit Sicherheit zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in zyklischer Folge jeweils eine Gruppe von Zellen vor den übrigen Gruppen von Zellen entladen und spätestens dann aus dem Verband der übrigen Gruppen herausgeschaltet wird, wenn sie ihre betriebliche Einsatzgrenze erreicht hat, daß sie dann weiter so weit entladen wird, bis ungleichmäßig verteilte Abscheidungen an den Elektroden beseitigt oder zumindest verringert sind, und daß sie wieder geladen und in den Verband eingefügt oder in den Verband eingefügt und dann geladen wird.

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Auf diese Weise kann eine ungleichmäßige Abscheidung der aktiven Masse an den Elektroden des Speichers ohne Betriebsunterbrechung immer wieder abgebaut werden, so daß die Lebensdauer des Speichers ohne zusätzliche Wartungsarbeiten erheblich gesteigert werden kann. Bei einer Regenerierung der Zellen in kurzen Zeitabständen können die Elektroden näher aneinandergerückt werden, da man weniger Dendritenhöhe einkalkulieren muß. Dadurch wird der Widerstand des Speichers kleiner, die Verluste werden geringer, so daß man weniger Kühlaufwand benötigt, und der Wirkungsgrad wird verbessert.

In vorteilhafter Weise ist an die vorzeitig zu entladende Gruppe der Zellen ein zusätzlicher Verbraucher geschaltet. Dadurch kann dann, wenn die vorzeitig zu entladende Gruppe der Zellen seine betriebliche Einsatzgrenze erreicht hat, die Restenergie noch betrieblich genutzt werden.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt ein elektrisches Schaltbeispiel einer Anlage zum Speisen eines Verbrauchers aus einem elektrochemischen Speicher. Ein aus mehreren Gruppen 1 bis 5 von in Reihe geschalteten Zellen bestehender elektrochemischer Speicher dient zum Speisen eines über Schalter 61 zu- und abschaltbaren Hauptverbrauchers 6. Als Speicher dient z.B. ein Zink-Brom-Speicher, bei dem die aktive Nasse während des Entladevorganges in Lösung geht und während des Ladevorganges wieder auf der Elektrode abgeschieden wird.

Jede Gruppe 1 bis 5 der Zellen kann bezüglich des Elektrolytumlaufes unabhängig betrieben werden. Die jeder

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Gruppe von Zellen zugeordneten Pumpen sowie die Elektrolytzu- und -ableitungen sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Zur Erhöhung der Lebensdauer wird der elektrische Speicher in der Weise betrieben, daß in zyklischer Folge jeweils eine Gruppe von Zellen vor den übrigen Gruppen von Zellen entladen wird. Hierzu sind in den die Reihenschaltung der Gruppen 1 bis 5 herstellenden Leitungsverbindungen Schaltkontakte 11, 12, 21, 22, 31...52 angeordnet. Dabei liegen in jeder Zuleitung ein Schaltkontakt und in jeder Leitungsverbindung zwei Schaltkontakte, z.B. in den Zuleitungen der Schaltkontakt 11 bzw. 52 und in der Leitungsverbindung zwischen den Gruppe 1 und 2 die Kontakte 12 und 21. Die Schaltkontakte 11 bis 52 haben ferner die Aufgabe, eine gewünschte Gruppe von Zellen aus dem Verband herauszuschalten und eine Reihenschaltung der übrigen Verbraucher wieder herzustellen. Die Schaltkontakte 13, 23, 33...53 dienen dazu, bei einer herausgeschalteten Gruppe von Zellen die Reihenschaltung wieder herzustellen.

Zum Kurzschließen einer herausgeschalteten Gruppe von Zellen sind Kontakte 14, 24, 34...54 vorgesehen.

Ein zusätzlicher Verbraucher 7 kann über einen Wahlschalter 9 mit einer gewünschten Gruppe von vorzeitig zu entladenden Zellen verbunden werden. Dieser Wahlschalter 9 ist zweipolig ausgebildet und mit einem Antrieb 91 versehen.

Zur Steuerung der Schaltvorgänge dient eine Steuereinrichtung 8 mit Ausgängen für die nur einmal dargestellten Antriebe 85 der Schaltkontakte 11 bis 52 und für den Antrieb 91 des Wahlschalters 9. Der Steuereinrichtung 8 sind Meßglieder 81, 82 zum Erfassen des Stromes in der

Zuleitung zum Hauptverbraucher 6 und des Stromes in der Leitung zum zusätzlichen Verbraucher 7 sowie ein Meßglied 83 zum Erfassen der Spannung der an den zusätzlichen Verbraucher 7 geschalteten Gruppe von ZeI-len zugeordnet.

Bei Speisung eines Verbrauchers, bei dem Spannungsänderungen zulässig sind, wird nach Schließen der Kontakte 61, 11, 12...52 der Verbraucher 6 zunächst aus allen in Reihe geschalteten Gruppen 1 bis 5 von Zellen gespeist.

Die Steuereinrichtung 8 besitzt Logikglieder, die den Wahlschalter 9 und die Kontakte 11 bis 52 in der nachstehend beschriebenen Weise steuern. Dabei wird der zusätzliche Verbraucher 7 in zyklischer Folge jeweils auf eine Gruppe von Zellen geschaltet, so daß diese vor den übrigen Gruppen der Zellen entladen wird. Im dargestellten Beispiel ist der zusätzliche Verbraucher 7 über den Wahlschalter 9 auf die Gruppe 1 der Zellen geschaltet, die solange in Reihe mit den übrigen Gruppen 2 bis 5 betrieben wird, bis sie ihre betriebliche Einsatzgrenze für den Hauptverbraucher 6 erreicht hat. Das Erreichen dieser Grenze wird mittels der Signale, die von den Meßgeräten 81 und 83 an die Steuereinrichtung 8 gegeben werden, ermittelt. Die Gruppe 1 wird dann aus dem Verband der übrigen Gruppen 2 bis 5 herausgeschaltet. Dies geschieht durch Öffnen des Kontaktes 21 und Schließen des Kontaktes 13. Die weiter auf den zusätzlichen Verbraucher 7 geschaltete Gruppe 1 wird dann soweit entladen, bis ungleichmäßig verteilte Abscheidungen an den Elektroden beseitigt oder zumindest verringert sind. Dabei können mit abnehmender Restladung der Batterie Zusatzverbraucher 7 schrittweise weggeschaltet werden. Nach der Entladung über den zusätzlichen Verbraucher 7 wird dieser durch Öffnen der Schaltkontakte 71 abgetrennt und durch Schließen des Kontaktes

gegebenenfalls eine Totalentladung vorgenommen. Um eine weitere Versorgung des zusätzlichen Verbrauchers 7 sicherzustellen, wird dieser nach dem Abschalten von der vorzeitig zu entladenden Gruppe der Zellen 1 in zyklischer Folge auf die übrigen Gruppen der Zellen 2 bis 5 geschaltet. Über die Anschlüse 72 kann ein Ladegerät auf die Gruppe 1 der Zellen geschaltet. Nach Wideraufladung der Gruppe 1 wird diese durch entsprechende Steuerung der zugehörigen Schaltkontakte über die Steuereinrichtung 8 wieder in den Verband eingefügt. Die zur Steuerung des Entladevorganges dienenden Meßglieder 81, 82, 83 können auch zur Steuerung des Ladevorganges mit verwendet werden.

Die Gruppe 1 der Zellen kann nach der Entladung auch in den Verband eingefügt und dann zusammen mit den übrigen Gruppen der Zellen über die Ladeanschlüsse 62 an ein Ladegerät angeschlossen werden.

In zyklischer Folge wird dann eine andere Gruppe von ZeI-len, z.B. die Gruppe 2, in analoger Weise automatisch entladen und wieder in den Verband eingefügt. Dabei werden beim Herausschalten der Gruppe 2 die Kontakte 12 und 31 geöffnet. Die Totalentladung wird betriebsmäßig bewirkt, bevor erfahrungsgemäß Nachteile durch Dendritenbildung entstehen können.

Bei Anwendung des Verfahrens in einem Elektrofahrzeug können beispielsweise die zusätzliche Verbraucher Kompressor-, Pumpen- und Lüfterantriebe oder Bordstromverbraucher bzw. die Heizung sein. Als Hauptverbraucher dient dann der Fahrantrieb, der nach dem Herausschalten einer Gruppe mit etwas verminderter Spannung weiterbetrieben wird. Dies hat keine nachteiligen Auswirkungen, da der Fahrzeugantrieb ohnehin für gewisse Spannungstoleranzen ausgelegt ist.

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Für Verbraucher, die mit konstanter Spannung versorgt werden müssen, ist es vorteilhaft, die Steuereinrichtung 8 derart auszulegen, daß in zyklischer Folge jeweils diejenige Gruppe von Zellen aus dem Verband der übrigen Grupen herausgeschaltet wird, die zur Regenerierung vorzeitig entladen werden soll. In diesem Fall wird der Hauptverbraucher 6 immer nur von einer um die Spannung einer Gruppe verringerten Spannung gespeist.

Soll beispielsweise die Gruppe 1 der Zellen vorzeitig entladen werden, so wird sie dann, wenn der Zusatzverbraucher 7 auf die Gruppe 1 geschaltet wird, der Konttakt 21 geöffnet und der Kontakt 13 geschlossen. Die Gruppe 1 der Zellen wird dann unabhängig von den übrigen ZeI-len über den Zusatzverbraucher 7 entladen, bis sie ihre betriebliche Einsatzgrenze erreicht hat. Dann wird der Zusatzverbraucher 7 durch Öffnen der Kontakte 71 abgetrennt und durch Schließen des Kontaktes 14 die Gruppe der Zellen weiter entladen (gegebenenfalls über nicht dargestellte Widerstände) bis ungleichmäßig verteilte Abscheidungen an den Elektroden beseitig oder zumindest verringert sind. Dann wird die Gruppe 1 der Zellen wieder geladen und in der beschriebenen Weise in den Verband eingefügt. Gleichzeitig mit dem Zuschalten der Gruppe wird die Gruppe 2 aus dem Verband herausgeschaltet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, nach einer Ladezyklenzahl, die der Gruppenzahl entspricht, jede Gruppe einmal durch Vollentladung zu regenerieren.

Wenn nicht in jedem Ladezyklus des Speichers eine Gruppe von Zellen regeneriert werden muß, ist es zweckmäßig, den Speicher in möglichst kurzer Zeit zu regenerieren und dann eine längere Pause einzuhalten. Dadurch ist gewährleistet, daß alle Zellen des Speichers mit geringst möglichem Al-

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terungsunterschied betrieben werden können. Um eine dauernde Versorgung der zusätzlichen Verbraucher sicherzustellen, können diese in der Zeit zwischen zwei Regeneriervorgängen in zyklischer Folge jeweils auf eine andere Gruppe von Zellen geschaltet werden.

3 Patentansprüche
1 Firgur

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ezuqszeichf	- y- snliste	VPA 83P32300E
1 - 5	Gruppen von Zellen
6	Hauptverbraucher
7	Zusatzverbraucher
8	Steuereinrichtung
9	Wahlschalter
11 - 52	Schaltkontakte
61	Schalter
62	Ladeanschluß
71	Schaltkontakt
72	Ladeanschluß
81	Strommeßglied
82	Strommeßglied
83	Spannungsmeßglied
85	Antrieb
91	Antrieb

Claims (3)

1. Patentansprüche

   1 J Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Speicners, insbesondere Zink-Brom- oder Zink-Chlor-Speichers, bei dem die aktive Masse während des Entladevorganges in Lösung geht und während des Ladevorganges wieder auf der Elektrode abgeschieden wird und durch vollstes Entladen ungleichmäßig verteilte Abscheidüngen beseitigt werden und bei dem Gruppen von Zellen in Reihe auf einen Verbraucher geschaltet sind, d adurch gekennzeichnet , daß in zyklischer Folge jeweils eine Gruppe von Zellen (1) vor den übrigen Gruppen von Zellen (2 bis 5) entladen und spätestens dann aus dem Verband der übrigen Gruppen (2 bis 5) herausgeschaltet wird, wenn sie ihre betriebliche Einsatzgrenze erreicht hat, daß sie dann weiter soweit entladen wird, bis ungleichmäßig verteilte Abscheidungen an den Elektroden beseitigt oder zumindest verringert sind, und daß sie wieder geladen und in den Verband eingefügt oder in den Verband eingefügt und dann geladen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch ge-

   kennzeichnet , daß an die vorzeitig zu entladende Gruppe der Zellen ein zusätzlicher Verbraucher (7) geschaltet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch ge-

   kennzeichnet , daß der zusätzliche Verbraucher (7) nach dem Abschalten von der vorzeitig zu entladenden Gruppe der Zellen (1) in zyklischer Folge auf die übrigen Gruppen der Zellen (2 bis 5) geschaltet wird.